FRP 加固混凝土结构的设计原则及国外设计标准
陈小兵 李 荣
(国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心 北京 100088)
摘 要:与钢筋相比,FRP 材料通常拥有数倍乃至十几倍的强度,其它力学性能也有很大的差异。采用FRP 材料加固
混凝土结构,存在诸如破坏形式、延性、极限强度、耐久性等一系列的新问题。在此,介绍了目前国外有关FRP 加固混凝土结构的设计指南、规程等情况,并着重介绍了美国ACI -440F 委员会设计规程(草案)中的结构设计概念、设计计算方法及值得注意的一些特点,供设计人员参考。
关键词:FRP 加固 延性 极限强度 耐久性
DESIGN PRINCIP LES AN D FOREIGN STAN DAR DS OF CONCRETE
STRUCTURES STRENGTHENE D WITH FRP
Chen X iaobing Li R ong
(National Engineering T echnology Research Center of Industrial Building Diagnosis and Rehabilitation Beijing 100088)
Abstract :The strength of FRP is several times or even a dozen times plus higher than that of a rebar ;other mechanical properties of FRP
are quite different.There are many new problems such as failure m ode ,ductility ,ultimate strength and durability etc in the concrete structures strengthened with FRP.The relevant design guidelines and regulations etc of FRP 2rein forced concrete structures in foreign countries at the present time are introduced with the em phasis on the structural design concept ,calculation methods and the characteristics that merit attention of the design regulations (draft )by the American ACI 2440C ommittee.
K eyw ords :FRP strengthening ductility ultimate strength durability
第一作者:陈小兵 男 1966年10月出生 高级工程师收稿日期:2000-12-10
0 前 言
几年以前,FRP 材料还被认为是下一个世纪的
未来材料,但现在已经在北美、日本及欧洲得到了广泛的应用。可以在市场上买到的FRP 复合材料产品在这些国家和地区已经多得不胜枚举。这些材料被广泛地应用在航空器的结构、导弹、船体、汽车、电子设备、公共交通、水管、大型容器、家具、体育器材、建筑及许多工业和商业领域中。FRP 材料具有极其优异的性能,包括轻质、超高强、高弹模、易于裁剪、抗疲劳性能好、耐磨、耐腐蚀、无磁性等。如此优异的性能,使得FRP 在土木工程领域得以迅猛地发展,同时也应注意到,FRP 有许多不同于传统建筑材料———钢筋的地方,在进行设计时,除了应遵循已有的钢筋混凝土规范外,还应该了解FRP 材料的特性及设计原则。在一种新技术的推广应用中,作为指导性的设计和施工规程,具有极为重要的作用。1 国外有关FRP 加固混凝土结构设计规程现状111 日 本
日本在编制有关FRP 规程、标准方面是起步最
早和最完备的国家之一。1993年,由日本建筑院(AI J )颁布的《FRP 加固混凝土结构设计指南》是世
界上第一个关于FRP 的设计指南。在日本,建筑工
程和土木工程是有明显界限的。1996年,日本土木工程学会(JSCE )正式颁布了《连续纤维材料补强加固混凝土结构物的设计及施工规程》。除上述两个国家级规程以外,许多相关的协会和机构也都相继推出了各自的行业标准,如CRS 研究会、M ARS 工法研究会、铁道综合研究所、FRP 技术研究会桥梁分会等。上述这些规程、指南的推出,极大地推动了日本FRP 技术推广应用的步伐。112 欧 洲
欧洲对FRP 的研究始于20世纪70年代的德国,其重点在G FRP 上。但近年来,对CFRP 、AFRP 的研究应用也逐年增加。“高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南”项目于1997年12月开始启动,由欧洲9个国家共同参加,斥资130万欧元,将于4年内完成。113 美 国
美国是应用FRP 材料较为广泛的国家。ACI -440F 委员会(着重研究FRP 片材及加固的分会)及
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1Industrial C onstruction 2001,V ol 131,N o 14
工业建筑 2001年第31卷第4期
ACI-440R委员会(着重研究纤维加筋及新建结构的分会)于1999年2月分别推出了有关设计规程(草案),该规程是440委员会基于世界各国以往的大量试验数据及实际应用,经过多年的努力完成的。ACI-440F规程为采用外部粘贴法加固混凝土结构提供了诸如材料的选择、设计计算方法及施工方法等方面的指南,尤其是针对FRP加固混凝土与普通钢筋混凝土的不同之处提出了值得注意的问题,并作出了相应的规定和建议。
2 ACI-440F委员会规程草案介绍
ACI-440F委员会规程(以下简称规程)列举了在FRP用于结构加固领域中一系列的典型试验结果及论文供设计参考。同时,规程本身又对FRP材料的规定、设计的理念及原则、施工管理分别制定了细则及详细说明。不包括指定的文献及附录,共计54页。因篇幅所限,本文仅就规程中关于结构设计中值得注意的一些概念及原则进行介绍。
211 抗弯设计
受拉区外贴FRP加固的梁在荷载作用下的抗弯设计主要基于受压区混凝土的受压破坏、受拉区纤维的拉断以及其它几项提前破坏形式,而不象传统的钢筋混凝土梁以钢筋屈服为标准进行设计。高强FRP的极限强度都远高于钢筋的屈服强度(碳纤维抗拉强度在3000～4500MPa之间),而且在整个加载过程中都呈线弹性,直至被拉断。因此采用FRP加固后的梁,在钢筋屈服后其承载能力继续增加,最后导致脆性破坏。
总的设计原则是:
(1)必须由熟悉FRP材料及加固设计的工程师进行设计;
(2)设计中材料断面面积的大小应根据应力应变关系和拉区拉力的需要来确定,不能根据等量的钢筋断面面积来确定。
在设计中应考虑并尽量避免的几种提前破坏形式是:
(1)FRP粘结处混凝土基层的拉剪破坏(锚固破坏);
(2)梁竖向裂缝导致的粘结剥离;
(3)梁的斜截面抗剪破坏。
为保证梁在破坏前有足够的延性及安全储备,规程建议:
(1)在混凝土受压破坏或FRP拉断之前,受拉钢筋应变值达到015%以上,可以认为梁具有足够的延性(满足ACI318第二章关于钢筋混凝土受拉区控制截面的定义)。
(2)对于受压区控制截面,设计中的抗力系数应比拉区控制截面的小,建议两者分别为017和019。这个建议的目的是使安全储备和延性之间能相互转换,延性差的截面,其安全度应大一些;延性好的截面,安全度可以小一些。安全度小的截面则要求延性好,保证结构破坏前有所警告。
(3)可以通过合理的锚固设计来避免提前破坏的出现。FRP层数越多,它与混凝土基面的粘结应力越高。应验算FRP粘贴面积和粘结强度是否足够。
(4)极限抗力应主要由不考虑FRP贡献的部分承担,没有FRP的梁应能持续承受静载、部分活荷载及环境荷载,这是为了防止诸如火灾、意外破坏等造成意外倒塌。
(5)原则上按照ACI318有关强度功能要求进行设计,工程师在设计时,当对材料、基面情况等不能确定时,应选择使用保守的强度折减系数。
212 抗剪设计
FRP的抗剪作用可以根据通过假定裂缝方向上纤维的应力及面积来计算分析,在设计中应满足:
(1)计算FRP的作用时,FRP的受拉应变值应限制在014%以内,以保证此时混凝土的抗剪作用有效(啮合作用有效)并减小挠度变形。
(2)应对粘结应力进行细致分析,以保证该加固方法的有效性。
(3)对FRP条的间距进行限制,使其能保证抗剪的有效性。
(4)整个抗剪约束作用之和,即FRP对抗剪强度的提高部分与箍筋的作用之和应小于ACI318中的有关规定。
213 抗压及延性的提高
(1)圆形及矩形截面的受压构件均可以采用外包FRP方法进行加强。FRP的约束作用可以显著提高混凝土的极限应变和极限强度。
(2)矩形截面的加强效果不如圆形截面的好,根据构件的几何尺寸、相关比率、钢筋的约束形式可以确定两者的有效性系数。
(3)FRP的应变应依据应变协调原理,根据轴向压力引起的径向压应变来计算。
(4)延性的提高来源于在混凝土受压破坏前压应变的提高能力。FRP外套也能防止纵向钢筋在受压时的屈曲。可以采用FRP箍来加强混凝土受压构件在地震时的塑性变形能力。
(下转第54页)
而且其强度稳定发展。N-2000中的缓凝组分虽延缓了拌合物的凝结时间,但不影响混凝土早期强度发展,而使混凝土具有早强的特点,1d强度为基准混凝土的168%,3d达到161%。
表4 掺N-2000混凝土的工作性能和强度
试验编号混凝土配合比外加剂掺量坍落度Πmm
重度Π
(kg?m-3)
保水性能
抗压强度比Π%
1d3d7d28d90d
YY-81∶1155∶3100∶0145018%2022450不泌水168161142128120
4 讨 论
N-2000由高效减水组分FDN和缓凝组分OPT 组成。掺N-2000的混凝土,坍落度损失得到抑制,特别是在高气温情况下,N-2000的保塑效果更加明显;N-2000对水泥有良好的适应性,混凝土不仅早期强度提高很快,而且后期强度稳定发展。
缓凝组分OPT为有机磷化合物,它能与水溶液中的Ca2+、Mg2+等离子形成稳定的络合物,有效地阻止Ca2+、Mg2+等离子形成晶核,起到络合增溶作用,而这个作用受温度变化的影响很小。对硅酸盐水泥凝结硬化的研究认为[4],水泥初凝时间大约相当于诱导期的结束。随着水化反应的进行,液相中Ca2+浓度提高,临界晶核形成,水泥浆体内Ca(OH)2晶体、C-S-H类晶体等水化产物开始稳定生长,诱导期结束,水泥浆出现初凝。
有机磷化合物对Ca2+的增溶络合及延长诱导期的作用,均将有效地延缓水泥浆体的凝结时间;由于该络合作用对温度变化不敏感,所以OPT在高气温条件下对新拌混凝土仍有良好的保塑作用。5 主要结论
(1)N-2000满足国家标准中对缓凝高效减水剂一级品性能指标要求。
(2)N-2000具有高效减水作用,当其掺量为015%～110%时,减水率可达15%～28%。
(3)N-2000能有效地抑制新拌混凝土坍落度损失,起到保塑作用,掺N-2000的新拌混凝土坍落度可在3h内基本不损失。
(4)N-2000的保塑效果,受温度变化影响较小,当气温达35℃时,仍有较好的保塑效果。
(5)N-2000对水泥的适应性好,对试验中所用的6种水泥均有良好的兼容性。
(6)N-2000不仅具有缓凝保塑作用,而且使混凝土具有较高的早期强度,并保持后期强度稳定发展。
参考文献
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(上接第18页)
214 疲劳及徐变
(1)由于徐变破坏的潜在可能性,针对不同类型的FRP,应设计不同的持续应力限值。对G FRP(玻璃纤维)应使其持续应力不超过设计抗拉强度的30%;CFRP(碳纤维)为80%;AFRP(芳纶纤维)为70%。
(2)使用荷载作用下的最大应力应取持续应力下限值的45%。
(3)在循环荷载作用下,FRP材料的应力应按照持续应力标准加以限制,防止出现疲劳破坏。
3 结 语
FRP材料因其不同于传统材料的优异性能而在土木工程领域具有广阔的发展前景。相关的设计指南、规程、标准对该项新技术的发展起着良好的规范及指导作用。ACI-440F规程中的每项规定,都是在以往钢筋混凝土结构理论的基础上通过大量试验和理论分析形成的。所有这些概念及规定,反映了委员会成员对FRP材料应用于钢筋混凝土结构的理解,凝聚了日本、美国、加拿大以及欧洲的研究成果。目前国内的碳纤维加固规程正在编制之中,国外的有关设计指南值得我们借鉴和参考。
参考文献
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